CN108526824B - 一种微孔复合加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微孔复合加工方法。本发明的微孔复合加工方法首先采用增材制造技术对微孔进行初加工，然后结合挤压珩磨修整技术和电火花修整技术进行后处理修整，可提高来提高微孔表面粗糙度和形状精度，实现在熔点极高的纯金属材料上加工出超大深径比微孔的目的。本发明的微孔复合加工方法是一种新型的基于增减材复合加工的超大深径比微孔加工方法，解决了传统微孔加工方法加工过程中存在的诸如电蚀产物排出困难、激光传播到孔底的能量衰减严重、孔成形精度难以保证等问题。本发明的微孔复合加工方法不仅可以用来实现圆形微孔的加工，也可以拓展到其他高熔点、任意复杂形状的深微孔加工领域。

Description

一种微孔复合加工方法
技术领域
本发明属于大深径比深微孔加工领域，具体涉及一种微孔复合加工方法。
背景技术
在精密制造中，大深径比微孔，即孔深与孔径的比值超过50的微孔，作为一种常见结构，广泛应用于航空、生物、化工、能源等领域。例如，在高能物理实验中，微孔成像是重要的实验监测手段。为屏蔽高能射线透射对成像质量的影响，微孔材料通常选用纯钨金属等高密度材料，厚度为20cm，特殊条件时厚度超过50cm。成像质量的图像分辨率主要由针孔孔径决定，孔径越小，空间分辨率越高。由于微孔的质量要求高，需无重铸层、无裂纹、无热影响区、密度均匀，且微孔深径比大，通常为深径比超过几十的通孔或沉孔，材料多样，多为合金、聚合物等等，由于上述质量较高的质量要求，导致目前的传统加工方法可满足加工精度要求却无法获得足够深径比，微孔结构成为制约一些精密制造工程顺利实施的瓶颈之一。
考虑到制造工艺的难度，针孔通常被设计成0.2-10mm。其中，孔径大的微孔，主要用于对辐射源分辨率要求不高的位置探测。而孔径小的微孔，则用于对分辨率有较高要求的辐射源探测。如为探测惯性约束核聚变实验中尺寸约为100µm的辐射源尺寸，美国劳伦斯科学家研制了孔径约为30µm的微孔成像系统。为探测尺寸约为20mm钴放射源的形状和尺寸，清华大学研制的微孔成像系统针孔直径分别为10mm和1mm。
经对现有技术的文献和专利检索，发现常见的微孔加工技术主要有以下几种：电火花加工、超快激光加工技术、3D打印。
（1）电火花加工技术
CNKI文献《电火花加工微孔的深径比理论模型研究》、《电极摇动对微细电火花加工微孔深径比的影响》、《深微孔电火花加工关键技术研究》，以及中国专利《一种用于电火花微孔加工的倒锥孔加工机构》（ZL2012105408022）、《倒锥微孔的电火花加工方法》（ZL2011100463194）、《数控电火花微孔加工机床旋转送丝机构》（2008102496133）等，均是基于电火花加工技术加工微孔。电火花穿孔技术依靠电极将能量输送到孔底，理论上，只要是电极能到达的位置就能实现加工。近些年来，受航空、石油化工等领域孔制造需求的牵引，国内、国外的知名研究机构以及企业对超深小孔加工技术和微孔加工技术进行了大量研究，推动了超深小孔、微孔加工技术取得了显著进步。然而，对于微孔这样的纯金属材料、直径百微米量级、厚度100mm量级、高精度的小孔加工，电火花加工深孔也存在以下缺点：1）电极直径小，长度大，刚性很差，在加工过程中受工作液的冲击、电蚀产物的挤压容易弯曲、折断。2）随着孔深度的增加，电蚀产物排出困难，电蚀产物积累在孔底，与电极之间发生放电，阻碍了能量传输到孔底，使小孔的深度增速变缓，最终趋于饱和。3）电火花加工依靠放电产生的局部高温将材料去除，对于纯金属这种高熔点材料，电火花去除速率慢，电极损耗大。
（2）超快激光加工技术
CNKI文献《飞秒激光高质量高深径比微孔加工机理及其在线观测》、《飞秒激光微孔加工》、《深径比65:1的激光钻孔》等，以及中国专利《激光微孔加工方法及激光微孔加工设备》（ZL201210053640X）、《一种锥度可控的激光微孔加工光束扫描装置及其控制方法》（2012105739839）等，均是基于超快激光技术加工微孔。超短脉冲激光具有脉冲短、瞬时峰值功率高的特点，在与物质相互作用时，可使作用下的材料不经过液相的固-气相变，可有效地抑制热影响区及熔渣等的产生，表现出几乎无热效应的材料去除特征，可以对金属和其它工业材料进行微加工。特别是大功率高能量的超短脉冲激光特别适用于超高速率和高质量的激光焊接和精密钻孔与切割等，如强化玻璃、金属片、陶瓷基片、蓝宝石等材料等。当前已在航空发动机喷油嘴与涡扇微孔钻孔以及高档中标内部的精密传动齿轮的切割与钻孔等方面有重要应用。然而，受碎屑排出、激光反射等多重因素的影响，激光传播到孔底的能量会逐渐衰减，孔越深，衰减越严重，同时也会导致排屑变得困难。此外，激光打孔也会使得深孔产生一定的锥度，在加工圆柱孔时会带来相应的弊端。
（3）3D打印技术
CNKI文献《牙科激光选区融化3D打印设备关键技术研究》，是目前3D打印技术的典型应用。作为先进数字化增材制造技术，3D打印成形以其逐层叠加成形的工艺原理使原来减材制造无法完成的加工问题成为可能。如：2003年，德国LIM研究所提出激光微烧结，采用调Q脉冲激光烧结亚微米级高熔点金属粉末成形微小型件。但3D打印作为一门新生技术，将其应用于微孔制造，仍存在如下问题：1）材料致密度受工艺参数影响大；2）直接加工成型件表面粗糙度较差；3）孔成形精度不易保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微孔复合加工方法。
本发明的微孔复合加工方法，包括以下步骤：
a.将待制造的大深径比微孔尺寸在PRO/E软件的草图中进行绘图；
b.对二维草图中的微孔进行拉伸，形成三维微孔模型；
c.对三维微孔模型的弦高、角度控制进行设置，形成三角面片重构后的零件模型，将该模型保存为STL文件格式；
d.将STL格式文件导入切片软件Autofab，确认成型设备名称及材料，选择零件摆放方式和添加支撑，采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划扫描策略，进行切片处理，导出fab格式切片文件；
e.将fab格式切片文件导入成型设备进行加工制造，采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末；
f.微孔零件成型后，采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工；
所述的步骤d中采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划进行扫描的步骤为：采用分块扫描，各分块内采用光栅扫描，相邻分块间扫描方向正交，跨区交替扫描，内控采用偏置扫描；采用STL模板类和多叉树存储结构进行轮廓存储；采用环结构指针组成的动态数组描述偏置轮廓产生的多个环；采用变参数扫描路径间距的路径规划方式对轨迹收缩进行补偿；
所述的步骤e采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末的步骤为：利用导引激光器在针孔处投射一红色信号靶标，刚好与圆孔同心，且比圆孔直径稍大；利用多CCD摄像头对信号靶标成像，建立信号靶标、疏通机构的相对坐标系统；由机器视觉计算机计算出需要移动的位移量，引导疏通机构接近靶标；当疏通机构接近靶标时，由机器视觉计算机重新修正靶标和疏通机构的相对位置，对靶标精确定位，最终使疏通机构完全同靶标中心重合；由疏通运动执行机构执行上下疏通运动，清理针孔表面残留粉末；
所述的步骤f采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工的步骤为：开始加工时，由动梁抬起上料缸，将粘弹性流体磨料装入下料缸；把工件与夹具夹持在上、下料缸之间，这时上下料缸及工件、夹具构成密闭空间；通过液压驱动下料缸活塞挤压流体磨料流经工件与夹具构成的通道，进入上料缸，通道中的工件表面就是要加工的对象；当下料缸活塞行程结束后，上料缸活塞开始向下挤压磨料经工件加工表面流回到下料缸，完成一个加工循环；采用电火花加工修整内孔，依靠电极将能量输送到孔底，通过电火花放电修整来提高内孔面圆度。
综上所述，本发明的微孔复合加工方法采用增材制造（激光熔融）方法加工大深径比微孔，在加工过程中采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划方法，解决常规的扫描路径算法存在的收缩和锯齿效应问题；采用基于机器视觉技术引导的在位微孔疏通方法，解决残留粉末逐渐堵塞针孔的问题；采用挤压珩磨抛光方法结合电火花加工方法的后处理技术，对微孔进行后处理修整，进而提高微孔表面粗糙度和形状精度，是一种新型、有效的超大深径比微孔加工方法。
本发明的微孔复合加工方法首先采用增材制造技术对微孔进行初加工，然后结合挤压珩磨修整技术和电火花修整技术进行后处理修整，可提高来提高微孔表面粗糙度和形状精度，实现在熔点极高的纯金属材料上加工出超大深径比微孔的目的。本发明的微孔复合加工方法是一种新型的基于增减材复合加工的超大深径比微孔加工方法，解决了传统微孔加工方法加工过程中存在的诸如电蚀产物排出困难、激光传播到孔底的能量衰减严重、孔成形精度难以保证等问题。本发明的微孔复合加工方法不仅可以用来实现圆形微孔的加工，也可以拓展到其他高熔点、任意复杂形状的深微孔加工领域。
附图说明
图1为本发明的微孔复合加工方法流程图；
图2为本发明的在位微孔疏通方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的微孔复合加工方法具有如下步骤：
a.将待制造的大深径比微孔尺寸在PRO/E软件的草图中进行绘图；
b.对二维草图中的微孔进行拉伸，形成三维微孔模型；
c.对三维微孔模型的弦高、角度控制进行设置，形成三角面片重构后的零件模型，将该模型保存为STL文件格式；
d.将STL格式文件导入切片软件Autofab，确认成型设备名称及材料，选择零件摆放方式和添加支撑，采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划扫描策略，进行切片处理，导出fab格式切片文件；
e.将fab格式切片文件导入成型设备进行加工制造，采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末；
f.微孔零件成型后，采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工；
所述的步骤d中采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划进行扫描的步骤为：采用分块扫描，各分块内采用光栅扫描，相邻分块间扫描方向正交，跨区交替扫描，内控采用偏置扫描；采用STL模板类和多叉树存储结构进行轮廓存储；采用环结构指针组成的动态数组描述偏置轮廓产生的多个环；采用变参数扫描路径间距的路径规划方式对轨迹收缩进行补偿；
所述的步骤e采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末的步骤为：利用导引激光器在针孔处投射一红色信号靶标，刚好与圆孔同心，且比圆孔直径稍大；利用多CCD摄像头对信号靶标成像，建立信号靶标、疏通机构的相对坐标系统；由机器视觉计算机计算出需要移动的位移量，引导疏通机构接近靶标；当疏通机构接近靶标时，由机器视觉计算机重新修正靶标和疏通机构的相对位置，对靶标精确定位，最终使疏通机构完全同靶标中心重合；由疏通运动执行机构执行上下疏通运动，清理针孔表面残留粉末；
所述的步骤f采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工的步骤为：开始加工时，由动梁抬起上料缸，将粘弹性流体磨料装入下料缸；把工件与夹具夹持在上、下料缸之间，这时上下料缸及工件、夹具构成密闭空间；通过液压驱动下料缸活塞挤压流体磨料流经工件与夹具构成的通道，进入上料缸，通道中的工件表面就是要加工的对象；当下料缸活塞行程结束后，上料缸活塞开始向下挤压磨料经工件加工表面流回到下料缸，完成一个加工循环；采用电火花加工修整内孔，依靠电极将能量输送到孔底，通过电火花放电修整来提高内孔面圆度。
实施例1
本实施例的基材为纯钨粉，要求制备出纯钨板，纯钨板上有一个孔径小于等于100µm，厚度大于等于20cm，深径比大于等于200的纯钨微孔。
本实施例的微孔复合加工方法，包括以下步骤：
a.将待制造的孔径小于等于100µm，厚度大于等于20cm，深径比大于等于200微孔尺寸在PRO/E软件的草图中进行绘图；
b.对二维草图中的微孔进行拉伸，形成三维微孔模型；
c.对三维微孔模型的弦高、角度控制进行设置，采用弦高偏差0.03、角度偏差0.025的参数组合，形成三角面片重构后的零件模型，将该模型保存为STL文件格式；
d.将导出的STL格式文件导入切片软件Autofab，确认成型设备名称及材料为钨粉，选择零件摆放方式和添加点支撑方式，采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划扫描策略：采用分块扫描，各分块内采用光栅扫描，相邻分块间扫描方向正交，跨区交替扫描，内控采用偏置扫描；采用STL模板类和多叉树存储结构进行轮廓存储；采用环结构指针组成的动态数组描述偏置轮廓产生的多个环；采用变参数扫描路径间距的路径规划方式对轨迹收缩进行补偿来进行切片处理，导出fab格式切片文件；
e.将导出的切片文件导入成型设备进行加工制造，采用在位微孔疏通技术：利用导引激光器在针孔处投射一红色信号靶标，刚好与圆孔同心，且比圆孔直径大10µm；利用多CCD摄像头对信号靶标成像，建立信号靶标、疏通机构的相对坐标系统；由机器视觉计算机计算出需要移动的位移量，引导疏通机构接近靶标；当疏通机构接近靶标时，由机器视觉计算机重新修正靶标和疏通机构的相对位置，对靶标精确定位，最终使疏通机构完全同靶标中心重合；由疏通运动执行机构执行上下疏通运动，清理针孔表面残留粉末；
f.微孔零件成型后，采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法：开始加工时，由动梁抬起上料缸，将粘弹性流体磨料装入下料缸；把工件与夹具夹持在上、下料缸之间，这时上下料缸及工件、夹具构成密闭空间；通过液压驱动下料缸活塞挤压流体磨料流经工件与夹具构成的通道，进入上料缸，通道中的工件表面就是要加工的对象；当下料缸活塞行程结束后，上料缸活塞开始向下挤压磨料经工件加工表面流回到下料缸，完成一个加工循环；采用电火花加工修整内孔，依靠电极将能量输送到孔底，通过电火花放电修整来提高内孔面圆度。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。其可扩展应用于高熔点材料、任意复杂形状的深微孔加工领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种微孔复合加工方法，其特征在于，所述的加工方法具有如下步骤：
a.将待制造的大深径比微孔尺寸在PRO/E软件的草图中进行绘图；
b.对二维草图中的微孔进行拉伸，形成三维微孔模型；
c.对三维微孔模型的弦高、角度控制进行设置，形成三角面片重构后的零件模型，将该模型保存为STL文件格式；
d.将STL格式文件导入切片软件Autofab，确认成型设备名称及材料，选择零件摆放方式并添加支撑，采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划扫描策略，进行切片处理，导出fab格式切片文件；
e.将fab格式切片文件导入成型设备进行加工制造，采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末；
f.微孔零件成型后，采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工；
所述的步骤d中采用跨尺度微特征截面轮廓路径规划进行扫描的步骤为：采用分块扫描，各分块内采用光栅扫描，相邻分块间扫描方向正交，跨区交替扫描，内控采用偏置扫描；采用STL模板类和多叉树存储结构进行轮廓存储；采用环结构指针组成的动态数组描述偏置轮廓产生的多个环；采用变参数扫描路径间距的路径规划方式对轨迹收缩进行补偿；
所述的步骤e采用在位微孔疏通技术清理微孔表面残留粉末的步骤为：利用导引激光器在针孔处投射一红色信号靶标，刚好与圆孔同心，且比圆孔直径稍大；利用多CCD摄像头对信号靶标成像，建立信号靶标、疏通机构的相对坐标系统；由机器视觉计算机计算出需要移动的位移量，引导疏通机构接近靶标；当疏通机构接近靶标时，由机器视觉计算机重新修正靶标和疏通机构的相对位置，对靶标精确定位，最终使疏通机构完全同靶标中心重合；由疏通运动执行机构执行上下疏通运动，清理针孔表面残留粉末；
所述的步骤f采用挤压珩磨与电火花加工相结合的后处理方法进行后处理加工的步骤为：开始加工时，由动梁抬起上料缸，将粘弹性流体磨料装入下料缸；把工件与夹具夹持在上、下料缸之间，这时上、下料缸及工件、夹具构成密闭空间；通过液压驱动下料缸活塞挤压流体磨料流经工件与夹具构成的通道，进入上料缸，通道中的工件表面就是要加工的对象；当下料缸活塞行程结束后，上料缸活塞开始向下挤压磨料经工件加工表面流回到下料缸，完成一个加工循环；采用电火花加工修整内孔，依靠电极将能量输送到孔底，通过电火花放电修整来提高内孔面圆度。
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